圖案化浸潤(rùn)性表面實(shí)現(xiàn)對(duì)Leidenfrost液滴復(fù)雜行為的精確控制

Leidenfrost效應(yīng)是流體研究領(lǐng)域的經(jīng)典物理現(xiàn)象，即液滴在高溫表面會(huì)呈現(xiàn)懸浮態(tài)。控制Leidenfrost液滴在冷卻降溫、摩擦減阻、微流控和功能材料圖案化等方面具有重要意義。當(dāng)前研究集中于通過固體表面構(gòu)筑物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控液滴，其調(diào)控程度有限，實(shí)現(xiàn)的液滴動(dòng)態(tài)行為簡(jiǎn)單。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋延林課題組近年來圍繞圖案化浸潤(rùn)性控制液滴行為方面開展了系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了液體復(fù)雜行為的操縱和精確圖案化。

近日，宋延林團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，制備圖案化的浸潤(rùn)性表面能夠?qū)崿F(xiàn)“切割Leidenfrost效應(yīng)”，從而精確控制高溫液滴的多種復(fù)雜行為（圖1）。研究表明，改變表面浸潤(rùn)性可以在相同溫度的基底上同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸沸騰和Leidenfrost沸騰。合理設(shè)計(jì)圖案，便可對(duì)Leidenfrost氣膜進(jìn)行任意切割，進(jìn)而有效控制液滴蒸汽動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)高溫液滴復(fù)雜行為的精確控制。

圖1 高溫圖案化浸潤(rùn)性表面的液滴旋轉(zhuǎn)行為

如圖2所示，超疏水表面的“Z”形超親水圖案能夠?qū)eidenfrost氣膜分割為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的兩部分，從而產(chǎn)生不平衡的蒸汽流動(dòng)，驅(qū)使液滴高速旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步，該研究揭示了浸潤(rùn)性圖案設(shè)計(jì)與液滴行為控制之間的基本規(guī)律，并展示了其在微機(jī)械驅(qū)動(dòng)、液滴定向輸運(yùn)和“液滴蒸汽機(jī)”等方面的潛在應(yīng)用。

圖2 浸潤(rùn)性圖案切割Leidenfrost氣膜

綜上所述，該工作首次提出了“切割Leidenfrost效應(yīng)”的概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Leidenfrost液滴復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為的精準(zhǔn)控制，在液滴控制、多相流和相變傳熱等領(lǐng)域具有啟示意義。

審核編輯：劉清